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OPERE DI CONTROLLO DELLE PIENE DEI RH FEREGGIANO, ROVARE E NOCE IN COMUNE DI GENOVA

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Academic year: 2022

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CASI DI STUDIO

OPERE DI CONTROLLO DELLE PIENE DEI RH FEREGGIANO, ROVARE E NOCE IN COMUNE DI GENOVA

Roberta Romiti *

1. PREMESSA

Oggi nello studio del comportamento idraulico di manufatti e corsi d'acqua è preponderante l'impiego di modelli matematici. Tut- tavia non sempre la modellazione matematica di fenomeni idraulici consente di giungere a soluzioni accettabili.

Nella presente memoria si illustra un modello fisico realizzato per studiare il comportamento idraulico di particolari manufatti in- seriti all'interno della 'Progettazione delle opere di controllo delle piene del Ton'ente Bisagno' in Comune di Genova.

Il progetto citato prevede la realizzazione di una galleria idraulica che scolma in mare le acque del torrente Bisagno, principale corso d'acqua della città, e di tre opere di presa sui rii minori le acque dei quali verranno anch'esse recapitate nella medesima gal- leria. Di questi ultimi viene illustrata la metodologia utilizzata per il loro dimensionamento e il comportamento idraulico osservato su modello fisico

Di tali ricerche sul modello fisico vengono presentati i principali risultati.

Figura 1 - Planimetria delle opere di controllo delle piene del Torrente Bisagno in Comune di Genova.

" IDRO S.r.l. Milallo.

2. LE OPERE DI PRESA

Le presa in oggetto sono costituite da luci a battente e da soglie libere.

Per il collegamento del corso d'acqua con la galleria di deriva- zione principale, posta a circa 40 m al di sotto del piano campa- gna in prossimità delle opere di presa, è stato previsto un pozzo a vortice.

La scelta di adottare tale manufatto è stata dettata dai notevoli dislivelli esistenti tra la quota del corso d'acqua e la galleria di progetto: essi, come si vedrà in seguito, garantiscono efficienza idraulica e la dissipazione dell'energia sovrabbondante.

Il comportamento idraulico di tale tipo di struttura è governato dalla configurazione della zona di imbocco, che determina i ca- ratteri della corrente del pozzo.

Nella pozzo a vortice l'acqua aderisce alle pareti e scorre verso il basso assumendo la conformazione di un getto anulare, per via del momento angolare impresso alla corrente dalla struttura vorticosa d'imbocco, mentre al centro del pozzo si sviluppa una zona aerata all'interno della quale la pressione è pressoché quella atmosferica.

Il pozzo termina con una vasca atta a dissipare energia e rila- sciare l'aria eventualmente trascinata dalla corrente, onde evita- re che questa possa liberarsi repentinamente nel pozzo stesso, danneggiando le strutture.

In definitiva l'opera è costituita essenzialmente da un canale di imbocco al vortice a cui segue una camera da cui parte il poz-

zo, una camera di dissipazione ed infine una galleria di collega-

mento alla galleria princi pale.

Esperienze di laboratorio (Vipare/li, /950) hanno evidenziato che nei manufatti di imbocco al pozzo a vortice con fondo a de- bole pendenza, il deflusso ha carattere molto regolare, con pic- cole pulsazioni che tuttavia non producono la chiusura del foro per il transito dell'aria. Viene suggerito pertanto di progettare il canale di imbocco al pozzo a debole pendenza, al fine di assi- curare che la con'ente in arrivo al pozzo risulti lenta.

La Figura 2 di seguito riportata mostra la struttura della camera del vortice adottata nei casi in studio; nella figura Ds rappre- senta il diametro del pozzo, mentre Ri i raggi dei quadranti del- le pareti interne del vortice. Il fondo della camera è orizzontale.

(2)

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Ds

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JR

Figura 2 - Geometria della camera del vortice (da Hager, 1985).

Figura 3 -Geometria della camera di dissipazione.

mentazione del pozzo a vortice.

Per quanto riguarda la camera di sbocco, essa è stata pensata in modo tale che si formi al suo interno un cuscino d'acqua che permetta la dissipazione dell'e- nergia della corrente in caduta dal pozzo, prima che questa entri nella galleria di collegamento allo scol- matore in progetto.

Allo scopo è stato previsto un gradino, posto alla quota di partenza della galleria di collegamento, che permettesse di creare un cuscino d'acqua di profon- dità almeno pari a 0.1 volte l'altezza di caduta della corrente.

La camera è stata progettata di forma policentrica di lunghezza pari almeno a 4 volte il diametro del poz- zo (Hager, 1985).

II diametro di tale camera è stato dimensionato in modo tale che la distanza tra il cielo della camera e il fondo della galleria di collegamento all'imbocco risultasse almeno pari a 2 volte il diametro del poz- zo (Hager, 1985).

3.

IL MODELLO FISICO

Le ragioni per cui si è ritenuto necessario ricorrere a modellazione fisica sono molteplici.

In primo luogo il modello fisico, a differenza del modello matematico, che necessita di una semplifi- cazione della geometria del contorno, rappresenta l'effettivo continuo.

Per mezzo della rappresentazione in scala del manu- fatto è possibile poi rappresentare e quindi studiare fenomeni localizzati, quali la posizione e le dimen- sioni dei risalti idraulici e i sopralzi in curva della corrente, fenomeni questi che non sono in genere rappresentabili da modelli matematici.

Così pure la modellazione matematica non è in gra- do di rappresentare il campo di moto tridimensiona- le che si instaura nei manufatti, in quanto trascura u- na delle tre componenti della velocità della corrente.

Ma il vantaggio maggiore del modello fisico sta nel- la capacità di riprodun'e la turbolenza.

Per la natura dell'opera è risultato infatti importan- tissimo rappresentare e studiare i fenomeni dissipa- tivi e la turbolenza riprodotta nella camera di dissi- pazione al piede del pozzo.

4.

UN CASO APPLICATIVO: L'OPERA DI PRESA SUL TORRENTE

FEREGGIANO

Il manufatto in oggetto è stato progettato in modo tale da consentire alla portata ordinaria (=5 m3fs) di defluire in adiacenza alla sponda destra attraverso u- na luce opportunamente dimensionata (Fig. 4).

Superato questo valore la portata eccedente viene convogliato attraverso uno sfioro nel canale di ali-

La soglia di imbocco della derivazione alla galleria in progetto, consente di derivare la portata Qs pari a 80 m3/s, riferita ad un e- vento duecentennale.

Considerata la complessità dei fenomeni idraulici che hanno luogo in questo manufatto, in sede di dimensionamento preliminare è sembrato cautelativo assimilare tale soglia ad uno sfioratore, rimandando al modello fisico l'individuazione del comportamento i- draulico della stessa.

Il manufatto cosÌ pensato è in grado di scaricare portate anche superiori alla portata di progetto. Tuttavia nel caso in cui il pozzo dovesse otturarsi o non fosse in grado di smaltire la portata di progetto la portata in eccesso può sfiorare da una soglia ricavata su una parete della camera del vortice e proseguire in alveo.

La geometria di tale soglia è stata affinata in base ai risultati del modello fisico; in particolare la sagoma dello sfioro è stata fatta

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coincidere con il profilo idrico della corrente corrispondente ad un evento duecentennale, in modo tale che lo sfioro in alveo della portata in eccesso inizi al raggiungimento di tale valore di portata.

La soglia è stata inoltre allungata per permettere lo sfioro di una portata maggiore e cautelarsi in caso di eventi più gravosi di quel- lo duecentennale.

II pozzo a vortice permette alla corrente in arrivo di superare un dislivello di 30 m circa e di cadere nella camera di dissipazione dalla quale parte la galleria di collegamento allo scolmatore principale.

Soglia di derivazione

Luce di fondo

Canale di Imbocco Canale In c.a

Figura 4 - Il manufatto di presa sul torrente Fereggiano.

In fase di dimensionamento dell'opera, i profili i- draulici sono stati ottenuti mediante l'integrazione dell'equazione del moto, da monte verso valle, per il tratto a monte dello sfioro (corrente veloce), e da valle verso monte per il tratto di valle (corrente len- ta), adottando un metodo di calcolo alle differenze finite.

Nel caso in esame la corrente in arrivo da monte è supercritica; esistendo tuttavia un restringi mento di sezione in prossimità dell'opera di partizione della portata, la corrente passa a lenta in prossimità dello sfioro dando luogo ad un risalto (Fig. 5).

4.1 Caratteristiche geometriche del modello Il modello dell'opera di presa del torrente Fereggia- no è stato realizzato in similitudine di Froude, a sca- la di riduzione pari a 1/38.7.

Le opere riprodotte su modello sono:

tratto a monte dell'opera di lunghezza pari a 70 m;

sfioro di ingresso al canale di imbocco al pozzo a vortice;

luce di controllo della portata che prosegue verso l'alveo di valle;

c ---= --

-=- -

-- ~ -

--=-

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-

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Lri.= 11 m

- -Q=90mc/s 50

- -Q=50mc/s

, ,

Q=40 mc/s - -Q=30mc/s - -Q=10mc/s

---~---49--:""'-... -... - ...

- - - l

, - fondo manufatto

-20 -10

o

X [m]

Figura 5 - Profili idraulici della corrente calcolati per le portate considerate.

canale di imbocco al pozzo a vortice;

pozzo a vortice;

camera di dissipazione posta al fondo del pozzo a vortice;

tratto iniziale della galleria di collegamento (circa 38 m).

10 20

Le pareti del canale di imbocco al vortice, il pozzo, la camera di dissipazione ed il primo tratto di galleria di collegamento sono

(4)

o

Figura 6 -Il modello fisico del torrente Fereggiano.

stati realizzati in materiale trasparente per permettere una visualizzazione diretta dei profili idrici che si instaurano. Il tratto di al- veo a monte dell'opera di derivazione è stato realizzato in legno e rivestito in calcestruzzo per riprodurre la corretta scabrezza che caratterizza il tratto.

Per le misure di livello sono state posizionate aste graduate sulle pareti del modello a monte dello sfioro, nel canale di imbocco al vortice, nella camera di dissipazione e nella galleria di collegamento.

4.2 FinaLità del modello fisico

Attraverso la realizzazione del modello fisico si è inteso verificare il corretto funzionamento idraulico dei principali elementi che costituiscono l'opera di presa.

in particolare si è voluto accertare:

a) Nel manufatto di partizione delle portate

la corretta partizione della massima portata da recapitare nell'alveo di valle e nella galleria;

la portata di inizio sfioro in galleria;

il profilo della corrente.

b) Nel canale di imbocco al vortice e pozzo

il profilo della corrente nella canale di imbocco al vortice al variare della portata;

il corretto funzionamento del pozzo.

c) Nella camera di fondo e galleria di collegamento

il fenomeno dissipativo che si genera nella camera di fondo;

le modalità di imbocco della corrente nella galleria che collega l'opera di presa alla galleria principale.

5. RISULTATI

Le prove in moto permanente a fondo fisso hanno evidenziato un buon accordo tra quanto ipotizzato in fase di progettazione e il comportamento idraulico del manufatto osservato sul modello fisico.

In particolare è risultata verificata per l'evento di progetto la partizione tra la portata derivata in galleria e quella che prosegue in alveo.

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Per portate ordinarie, inferiori alla portata di inizio sfioro, tutta la portata viene recapitata in alveo, a valle dell'opera di presa.

AI crescere della portata, inizia lo sfioro delle acque defluenti in galleria. Il profilo della corrente che si instaura nel canale di im- bocco al vortice al crescere della portata è confrontabile con quello calcolato (Fig. 8), ed il vortice che si crea nella camera del vor- tice è sempre ben centrato ed areato (Fig. 7).

Figura 7 -Il profilo della corrente che si instaura nel canale di imboc- co al vortice e nella camera del vortice.

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E

CIi

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mis.13

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Risalto idraulico misurato

- -livellO idrico misurato in sponda sinistra

mis.12-

Risalto idraulico calcolato

In corrispondenza della portata di progetto il risalto idraulico a monte dell'opera di presa è risultato arre- trato rispetto la posizione calcolata. Questa diffor- mità di comportamento tra progetto e modello trova spiegazione nel fatto che i calcoli svolti nella fase di dimensionamento preliminare dell'opera non hanno potuto tenere in considerazione l'influenza combi- nata del graduale e leggero restringimento della se- zione dell'alveo e soprattutto dell'effetto della cur- vatura plani metrica dello stesso.

Inoltre è da sottolineare che, a causa della difficoltà di riprodurre le corrette condizioni di ingresso al modello è stato osservato che la variazione di pochi mm dell'altezza della corrente veloce di monte sul modello, mantenendo fissata la profondità della cor- rente lenta a valle, può far variare anche in modo si- gnificativo la posizione del risalto idraulico.

La dissipazione dell'energia nella camera di fondo si esaurisce a circa metà della camera ed è risultata efficace come risulta dalla regolarità con cui la cor- rente imbocca la galleria (Fig. 9).

Dalle prove eseguite è emerso infine che per portate superiori alla portata duecentennale, affinando la geometria della soglia di emergenza ed allungando- la, l'opera funziona in maniera soddisfacente: il ma- nufatto funziona a pelo libero e il pozzo continua da essere areato e ben centrato.

53

50

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Risalto idra~lico misuratp

,

l -

....

,

- - livello idrico misurato in sponda destra

-livello idrico calcolato

- - - -~ - - - --- -49--fo--....;...j.--+-...;-:-.--~

, - fondo manufatto

-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10

o

10 20 30 40

x [m]

Figura 8 - Confronto tra il profilo idrico calcolato e misurato sul modello per Q=90 m'/s.

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Figura 9 -Fenomeno dissipativo nella camera di fondo.

BIBLIOGRAFIA

Drioli

c.,

"Su un particolare tipo di imbocco per pozzi di scarico (scaricatore idraulico a vortice)", L'energia elettrica, Ottobre 1947.

Hager W. H., "Head discharge relatiol1 for vortex shaft", Journal oJ Hydral/lic Engineering, ASCE, III (6).

Pica M., "Scaricatori a vortice", L'energia elel/rica, Aprile 1970.

Viparelli M., "Su un particolare tipo d'imbocco e sul1'efflusso con vortice", L'energia elettrica, Ottobre 1950.

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